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Einsatzhärtung von Werkstücken aus Eisenlegierungen Die Erfindung
bezieht sich auf die Einsatzhärtung von Stählen bzw. Stahllegierungen und bezweckt,
Oberflächenschichten mit einer verhältnismäßig hohen Kohlenstoffkonzentration bei
gegebenen Temperaturen zu erzeugen, ferner den hohen Kohlenstoffgehalt über einen
erheblichen Bereich von Behandlungstemperaturen mit einem 'hohen Stickstoffgehalt
zu kombinieren und derart die Möglichkeit zu schaffen, in wirtschaftlicher Weise
bei einer geeigneten Behandlungsdauer eine geeignete Einsatzschicht von verhältnismäßig
sehr großer Stärke zu erzielen, allgemein gesagt, ein verbessertes wirtschaftliches
und leicht regelbares Verfahren zur gleichzeitigen Aufkohlung und Nitrierung oder
gesteigerten Aufkohlung bei gewisser Nitrierung zu schaffen und derart verbesserte
Erzeugnisse herzustellen.
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Bei dem Einsatzhärteverfahren nach der Erfindung werden die Werkstücke
durch eine Mischung von nitrierendem mit aufkohlendem Gas behandelt, die verbrennbare
Bestandteile unter Einschluß von C O und C H4 enthält.
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Vorzugsweise bestehen die verbrennbaren Bestandteile im wesentlichen
aus CO, C H4 und HE, wobei die anteiligen Mengen der aufkohlenden Bestandteile
vorzugsweise zwischen io% und 8o% CO und io% bis 40% CH4, bezogen auf das Gesamtvolumen,
liegen. Die anteiligen Mengen der Gase werden hierbei nach Volumprozenten gerechnet.
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Wesentlich kleinere Mengen von C O und C H4 können wohl eine Aufkohlung
bewirken, sind aber mit Rücksicht auf den Zeitfaktor vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt
aus nicht mit Erfolg anwendbar.
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Eine wesentliche Grundlage der Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
daß die Mischung unter Zeit-und Temperaturbedingungen verwendet werden
kann,
welche im Ergebnis zu einer vorbestimmten Eindringtiefe und einem Kohlenstoffgehalt
an oder nahe der Oberfläche führen, der viel größer ist als der endgültig erforderliche,
so daß die Einsatzschicht dann diffundiert und einer weiteren Behandlung unterworfen
werden kann, wenn und soweit dies notwendig ist, um die geforderten endgültigen
Eigenschaften zu erzielen. Bei wirksamen Behandlungstemperaturen von zwischen 65o°
C und goo' C läßt sich, wenn beispielsweise in der Mischung 25% Ammoniak enthalten
ist, ein verhältnismäßig sehr hoher Kohlenstoffgehalt sowie hoher Stickstoffgehalt
in der Oberfläche erzielen. Oberhalb von goo' C besteht die Wirkung mehr darin,
eine gesteigerte Aufkohlung zu erzielen, als einen besonders hohen Stickstoffgehalt.
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Wenn die Eigenschaften des Materials und die Art der Einsatzschicht,
die erzielt werden soll, es ermöglichen, können Temperaturen von erheblich über
goo' C angewendet werden, wobei anteilig mehr Ammoniak verwendet wird. In wirtschaftlicher
Hinsicht sind bei normal aufkohlendem Material Temperaturen von 95o bis iooo° C
sehr zweckmäßig, wobei technisch erheblich höhere Temperaturen möglich sind.
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Im weitesten Sinne kann gesagt werden, daß, je höher die wirksame
Behandlungstemperatur bei einer gegebenen Gasmischung ist, um so niedriger der sich
ergebende Stickstoffgehalt in der Oberfläche wird.
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Bei dem Aufkohlen durch Gas ist, wenn t die wirksame Behandlungsdauer
und T die Gesamtzeit für die Durchführung des Verfahrens einschließlich der Diffusionsstufe
ist, T: t das Verhältnis, welches die Art der Einsatzschicht, die bei gegebenen
Stählen und gegebenen Temperaturen zu erzielen ist, bestimmt. Durch Verwendung des
Aufkohlungsgases zusammen mit io0% oder mehr Ammoniak wird ein verhältnismäßig sehr
hoher Kohlenstoff-und hoher Stickstoffgehalt im Verlauf einer gegebenen wirksamen
Behandlungsdauer bei einerTemperatur innerhalb des Bereichs von 65o bis goo' C erzielt.
Bei niedrigeren Temperaturen wird unter Verwendung des nachstehend im einzelnen
beschriebenen vorzugsweise zu verwendenden Aufkohlungsgases eine hoch kohlenstoffhaltige
Einsatzschicht bei nur etwa 2,5% Ammoniakzusatz erhalten.
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Hieraus ergibt sieh die Möglichkeit einer längeren Ausdehnung der
Diffusionsperiode, d. h. ein erweitertes Verhältnis von T: t und eine kürzere Gesamtdauer
für eine gegebene zweckmäßige Einsatzschichttiefe. Die gesteigerte Aufkohlung oberhalb
von goo' C ergibt einen ähnlichen Vorteil hinsichtlich der wirksamen Aufkohlung,
jedoch eine geringere Nitrierung in allen Temperaturbereichen bei kleinen Mengen
von Ammoniak in der Mischung.
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Das vorzugsweise verwendete Aufkohlungsgas ist vom technischen Gesichtspunkt
gesehen Stadtgas, welches so behandelt worden ist, daß das gesamte C02, 02 und S
sowie der Wasserdampf entfernt worden ist.
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Ein solches typisches aufbereitetes Stadtgas dieser Art hat folgende
Zusammensetzung: C02 fehlt, 02 fehlt, H20 fehlt, S zu vernachlässigen, CO i9,o%,
H2 48,00/0, CH, 24,oo/o, Spuren von anderen gasförmigen Kohlenwasserstoffeh, Rest
N2.
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Das übliche Nitrierungsgas ist wasserfreier Ammoniak, zweckmäßig in
Form von teilweise gekracktem Ammoniak.
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Es wurde gefunden, daß die Zumischung des Nitrierungsgases
in anteiligen :Mengen von über io% der Gesamtmenge eine wirksame Aufkohlung auch
möglich macht, wenn rohes Stadtgas verwendet wird, und zwar bei einer wirksamen
Behandlungstemperatur, die bis auf 65o° C verringert wird, und daß die derart erzeugten
Einsatzschichten an der Oberfläche oder etwa an der Oberfläche einen Kohlenstoffgehalt
aufweisen, der wesentlich größer ist als der endgültig erforderliche.
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Rohes Stadtgas ist im üblicherweise verstandenen Sinn ein Gas, dessen
Analyse innerhalb der normalen Grenzen unter den bei Gasanstalten vorliegenden Verhältnissen
etwa die folgende ist: Kohlendioxyd 2 bis 5%, Sauerstoff o,5 bis i %, H20 i,o bis
2%, ungesättigte 1,5 bis 3,5%, Kohlenmonoxyd 14 bis 20%, Methan 15 bis 300/0, Wasserstoff
45 bis 55%, der Rest ist Stickstoff und vielleicht 1,5 bis 2 g Schwefel/cbm.
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Unter den derzeitigen Verhältnissen ist es in Gasfabriken nicht üblich,
Benzol auszuwaschen, sondern man ist bestrebt, möglichst viel Gas zu gewinnen, dessen
Schwefelgehalt aus der verwendeten Kohle stammt.
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Unter solchen Bedingungen ist es bei einem Schwefelgehalt, der unter
Umständen bis zu 6g/cbm beträgt und einem Gehalt an ungesättigten Kohlenwasserstoffeh,
Benzin, Naphthalin, Anthrazen und deren Homologen bis zu 5% und mehr erwünscht,
nach den bekannten Methoden zu waschen.
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Wenn NH3 zusammen mit rohem Stadtgas verwendet wird, so besteht ein
Teil seiner Wirkung darin, die Wirkungen der unerwünschten Bestandteile zu bekämpfen
bzw. aufzuheben, und es müssen erheblich höhere anteilige N!Iengen von .Ammoniak
verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse wie die, welche unter Verwendung von aufbereitetem
Stadtgas erzielt werden, zu erhalten.
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Auch andere ähnliche bzw. äquivalente Industriegase mit brennbaren
Bestandteilen, die im wesentlichen aus C O und CH, bestehen, können im aufbereiteten
oder rohen Zustand je nach ihrer Analyse und den verwendeten Ammoniakmengen benutzt
werden.
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Im folgenden werden nunmehr einige besondere Ausführungsbeispiele
des neuen Verfahrens unter Verwendung von Mischungen von aufbereitetem und rohem
Stadtgas mit Ammoniak gegeben.
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Aufbereitetes Stadtgas mit wasserfreiem Ammoniak Die folgenden Beispiele
gehen von einer wirksamen Behandlungszeit t von 6 Stunden eines Flußeisens mit einem
anfänglichen Kohlenstoffgehalt von o,i9% mit aufbereitetem Stadtgas und wasserfreiem
Ammoniak, die vor dem Eintritt in den Reaktionsraum in gleichen anteiligen Verhältnissen
gemischt worden sind, aus.
Temperatur Höchster Kohlenstoff- Schichttiefe
Behalt nahe der Oberfläche 700'C 3,1 % o,229 mm 750 C 6,9 % o,483 mm 8oor C 6;3
% 0.7Z1 mm In jedeili l@ all lag der höchste Kohlenstoffgehalt der Oherfl:iche in
einer Tiefe von 0,o5 his o,i mm.
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Bei einer Behandlungstemperatur von 85o° C befand sich die 7one des
höheren Kohlenstoffgehalts v011 7,2% an oder im wesentlichen an der Oberfläche,
und der Stickstoffgehalt fiel von einem Maxirnuni von ungefähr o,35 hei 0,2 mm Tiefe
auf etwa 0,03% dort, wo der Kohlenstoffgehalt seinen Höchstwert erreicht, ab.
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Bei einer Behandlungstemperatur von 90o° C betrug der Ilöclistkohletistoffge'halt
in der Nähe der Oberfläche i,i% und der IIöchststickstoffgehalt 0,400/0, wobei die
Schichttiefe 1,6o mm war. Die prozentualen Zahlenangaben für Kohlenstoff und Stickstoff
in den Beispielen sind tatsächliche Werte, die bis auf '/20% genau sind.
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Bei einem Verhältnis von aufbereitetem Stadtgas zu Ammoniak von i
: 3 sind die Maxima des Kohlenstoffgehalts ähnlich und die Einsatzschichtstärken
etwa 30% geringer.
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Rohes Stadtgas mit wasserfreiem Ammoniak Im, folgenden werden Behandlungsbeispiele
bei einer sechsstündigen Behandlungsdauer t eines Flußeisens mit einem Anfangskohlenstoffgehalt
von o,i9%mittypischem rohemStadtgas; ungewaschen, und wasserfreiem Ammoniak bei
925° C, die vor Eintritt in den Reaktionsraum gemischt wurden, gegeben.
| Rohes Stadtgas - NH3-Verhältnis |
| Temperatur Wirksame Zeit 3.-1 9 ' |
| t Max. C Max. N Aufkohlungs- Max. C Max. N Aufkohlungs- |
| nahe der nahe der tiefe nahe der nahe der tiefe |
| °C Std. Oberfläche Oberfläche mm Oberfläche Oberfläche
mm |
| 925 6 6,i 0% 0,30/0 1,52 I 5,2 % 0,350/-
1,45 |
Bei Temperaturen unter 90o° C ist bei einem gegebenen Verhältnis die Einsatzschichttiefe
geringer, der Kohlenstoffgehalt bleibt hoch, und der Stickstoffgehalt neigt dazu,
anzusteigen.
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Beispielsweise war bei 80o° C bei einem Verhältnis N'0(1 3 : i der
höchste Kohlenstoffgehalt 5,3%, der 'höchste Stickstoffgehalt 0,89% und die Schichttiefe
o,68 mm.
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Falls erwünscht. können weitere Aufkohlungsmittel (beispiels,.veise
zusätzlich CO) als Beimischung oder in Form geeigneter Verbindungen zugesetzt werden.
Jedoch wurde bisher nicht gefunden, daß ein solcher Zusatz notwendig oder erwünscht
ist.
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Die erhaltenen Einsatzschichten sind ebenso wie die unter Verwendung
üblicher Aufkohlungsmittel erzielten nicht als solche praktisch verwendbar, aber
sie ergeben die Voraussetzungen dafür, daß durch eine folgende Wärmebehandlung in
sehr kurzer Zeit eine für wirtschaftliche Verwendungszwecke geeignete Einsatzschicht
von erheblicher "riefe erzielt werden kann.
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Beispielsweise kann wegen des hohen Diffusionspotentials der Kohlenstoff
einer Schicht, die nahe der Oberfläche 6, 5 % Kohlenstoff enthält, diffundiert werden
und derart eine eutektische Schicht, die ungefähr 0,9% Kohlenstoff enthält; viel
schneller als bei Schichten, die durch die üblichen Aufkohlungsverfahren erzeugt
werden, erhalten werden. Ferner liegt ein verhältnismäßig größerer Anteil der Schicht
im Zustand einer eutektischen Verbindung vor.
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Ans den erläuterten Beispielen ist zu entnehmen, daß durch die Wahl
einer geeigneten Gesamtbehandlungsdauer T, eines geeigneten Verhältnisses
T: t und eines geeigneten Verhältnisses des Aufkohlungsgases zu dem Nitriergas
die Tiefe und die Beschaffenheit der bei einer gegebenen Temperatur erhaltenen Einsatzschicht
leicht regelbar ist.
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Um die erforderlichen Eigenschaften der Einsatzschicht in wirksamer
oder wirtschaftlicher Weise zu erzielen, können Stähle von besonderer Zusammensetzung
gewählt werden.